from ..core.problem_definition_base import ProblemDefinitionBase
from ..core.simulation_parameters import SimulationParameters
from typing import Dict, Any, Optional, List, Union

# FEniCSx相关的导入，同样使用条件导入
try:
    import dolfinx
    from dolfinx import fem, mesh
    import ufl
    from ufl.core.expr import Expr as UFLExpr # 显式导入并重命名以避免冲突
    from mpi4py import MPI
    FENICSX_AVAILABLE = True
except ImportError:
    FENICSX_AVAILABLE = False
    # 用于类型提示的虚拟类型
    class fem:
        class Function: pass
        class DirichletBC: pass
    class mesh:
        class MeshTags: pass
    class ufl:
        class Form: pass
        class Argument: pass
        class Measure: pass
    class UFLExpr: pass # 虚拟类型 UFLExpr
    class MPI:
        class Comm: pass

class GasTransportProblem(ProblemDefinitionBase):
    """
    求解气体组分传输（例如，O2, H2, H2O, N2 的浓度或分压）的问题定义。
    这通常涉及对流-扩散方程。
    """
    def __init__(self,
                 problem_name: str, # 例如, "c_O2_cathode_gdl", "p_H2_anode_channel"
                 species_name: str, # 例如, "O2", "H2", "H2O"
                 fem_entities: Dict[str, Any],
                 material_functions: Dict[str, Any],
                 params: SimulationParameters,
                 # 可选的 UFL 表达式，用于从其他物理场耦合的项
                 # 如果使用对流，则为气体混合物的速度矢量 (m/s)
                 convection_velocity_ufl: Optional[UFLExpr] = None, 
                 # 体积源/汇项 (mol/m^3/s 或 kg/m^3/s，取决于求解变量的单位)
                 volumetric_species_source_term_ufl: Optional[UFLExpr] = None, 
                 domain_tags: Optional[mesh.MeshTags] = None,
                 dx_measure: Optional[ufl.Measure] = None,
                 ds_measure: Optional[ufl.Measure] = None,
                 boundary_markers: Optional[Dict[str, Any]] = None,
                 comm: Optional[MPI.Comm] = None,
                 **kwargs):
        """
        初始化气体传输问题。

        参数:
            problem_name (str): 此气体传输问题的唯一名称。
            species_name (str): 此问题正在求解的气体组分的名称 (例如, "O2")。
            fem_entities (Dict[str, Any]): 基本的 FEniCSx 实体。
            material_functions (Dict[str, Any]): 材料属性，期望包含有效的扩散系数
                                                (例如, 'effective_diffusivity_O2')。
            params (SimulationParameters): 所有模拟参数。
            convection_velocity_ufl (Optional[UFLExpr]): 
                气体混合物对流速度的 UFL 表达式 (矢量场)。
            volumetric_species_source_term_ufl (Optional[UFLExpr]):
                体积组分源/汇项的 UFL 表达式 (例如，来自电化学反应)。
            domain_tags (Optional[dolfinx.mesh.MeshTags]): 域的网格标签。
            dx_measure (Optional[ufl.Measure]): 用于体积积分的 UFL 度量。
            ds_measure (Optional[ufl.Measure]): 用于面积积分的 UFL 度量。
            boundary_markers (Optional[Dict[str, Any]]): 将边界名称映射到标记 ID。
            comm (Optional[MPI.Comm]): MPI 通信器。
            **kwargs: 额外的关键字参数。
        """
        self.species_name = species_name
        self.convection_velocity_ufl = convection_velocity_ufl
        self.volumetric_species_source_term_ufl = volumetric_species_source_term_ufl
        # fem_entities 中的变量键，例如 "c_O2" 或 problem_name。如果未提供，则默认为 problem_name
        self.variable_key_in_fem_entities = kwargs.pop('variable_key', problem_name) 

        super().__init__(problem_name=problem_name,
                         fem_entities=fem_entities,
                         material_functions=material_functions,
                         params=params,
                         domain_tags=domain_tags,
                         dx_measure=dx_measure,
                         ds_measure=ds_measure,
                         boundary_markers=boundary_markers,
                         comm=comm,
                         **kwargs)

    def setup_problem(self) -> None:
        """
        为气体组分浓度/分压设置变分问题。
        稳态对流-扩散方程:
            ∇ ⋅ (-D_eff ⋅ ∇C_i + C_i ⋅ u) = S_i
        其中:
            C_i 是组分 i 的浓度/分压 (待求解变量)。
            D_eff 是组分 i 在混合物中的有效扩散系数。
            u 是气体混合物的对流速度矢量。
            S_i 是组分 i 的体积源/汇项。

        变分形式 (假设 D_eff 不是 C_i 的函数，对于线性形式):
            ∫_Ω (D_eff ⋅ ∇trial_C_i ⋅ ∇test_C_i) dΩ + ∫_Ω ( (trial_C_i ⋅ u) ⋅ ∇test_C_i ) dΩ 
            - ∫_Γ_N ( (C_i ⋅ u) ⋅ n ) ⋅ test_C_i dS (如果使用分部积分处理对流项的边界项) 
            = ∫_Ω S_i ⋅ test_C_i dΩ + 其他边界条件项
        
        或者，对流项通常更直接地写为: ∫_Ω ( (u ⋅ ∇trial_C_i) ⋅ test_C_i ) dΩ
        这里我们将主要使用后一种形式，并假设对流边界条件通过狄利克雷条件处理，或者自然边界条件为零通量。
        """
        if not FENICSX_AVAILABLE:
            print(f"警告: FEniCSx 不可用。跳过 {self.problem_name} ({self.species_name}) 的 setup_problem()。")
            self._bilinear_form = None # 确保这些在 FEniCSx 不可用时被定义为 None
            self._linear_form = None
            self._bcs = []
            return

        # 1. 识别要求解的 fem.Function (例如, c_O2) 及其函数空间
        solution_vars = self.fem_entities.get('solution_variables', {})
        if self.variable_key_in_fem_entities in solution_vars:
            self._variable_to_solve = solution_vars[self.variable_key_in_fem_entities]
            if not isinstance(self._variable_to_solve, fem.Function):
                raise TypeError(f"'{self.variable_key_in_fem_entities}' 必须是 dolfinx.fem.Function 类型。")
            V_species = self._variable_to_solve.function_space
            if V_species is None: raise ValueError(f"'{self.variable_key_in_fem_entities}' 的函数空间为 None。")
        else:
            # 尝试从函数空间字典中获取，如果变量尚未创建
            function_spaces = self.fem_entities.get('function_spaces', {})
            if self.variable_key_in_fem_entities in function_spaces:
                V_species = function_spaces[self.variable_key_in_fem_entities]
                # ProblemDefinition 不应该创建 SolutionVariable，它应该已经被创建并传入。
                raise KeyError(f"'{self.variable_key_in_fem_entities}' 在 solution_variables 中未找到，虽然在 function_spaces 中找到了。请确保 solution_variable 已创建并传入。")
            else:
                raise KeyError(f"求解变量 '{self.variable_key_in_fem_entities}' (用于气体组分 '{self.species_name}') 或其函数空间未找到。"
                               f"可用的 solution_variables: {list(solution_vars.keys())}。 "
                               f"可用的 function_spaces: {list(function_spaces.keys())}。")

        # 2. 识别试函数和试验函数
        self._test_function = ufl.TestFunction(V_species)
        self._trial_function = ufl.TrialFunction(V_species)

        trial_C_i = self._trial_function
        test_C_i = self._test_function

        # 3. 获取材料属性: 有效扩散系数
        # 键名可能特定于组分，例如 'effective_diffusivity_O2'
        D_eff_key_specific = f"effective_diffusivity_{self.species_name}"
        D_eff_key_generic = "effective_diffusivity" # 通用备用键
        
        D_eff = self.material_functions.get(D_eff_key_specific)
        if D_eff is None:
            D_eff = self.material_functions.get(D_eff_key_generic)
            if D_eff is None:
                 raise ValueError(f"材料属性 '{D_eff_key_specific}' 或 '{D_eff_key_generic}' 未找到。")
            # else:
                # print(f"信息: {self.problem_name} 使用通用扩散系数键 '{D_eff_key_generic}'。")
        
        if not hasattr(D_eff, '__mul__'): # 检查是否与 UFL 兼容
             raise TypeError(f"材料 'effective_diffusivity' (针对 '{self.species_name}') 与 UFL 不兼容。")

        # 4. 定义变分形式分量
        dx = self.dx_measure
        if dx is None: raise ValueError(f"'{self.problem_name}' 未提供 dx_measure。")

        # 扩散项 (双线性形式部分): ∫_Ω (D_eff ⋅ ∇trial_C_i ⋅ ∇test_C_i) dΩ
        self._bilinear_form = D_eff * ufl.dot(ufl.grad(trial_C_i), ufl.grad(test_C_i)) * dx
        
        # 初始化线性形式部分: ∫_Ω 0 ⋅ test_C_i dΩ
        self._linear_form = ufl.as_ufl(0) * test_C_i * dx

        # 对流项 (添加到双线性形式部分): ∫_Ω ( (u ⋅ ∇trial_C_i) ⋅ test_C_i ) dΩ
        if self.convection_velocity_ufl is not None:
            # 假设 self.convection_velocity_ufl 是一个 UFL 矢量表达式
            if not hasattr(self.convection_velocity_ufl, 'ufl_shape') or self.convection_velocity_ufl.ufl_shape == (): 
                # 简单的检查，可能需要更复杂的 UFL 类型检查
                raise TypeError(f"{self.problem_name} 的 convection_velocity_ufl ('{self.convection_velocity_ufl}') 似乎不是一个有效的 UFL 矢量类型。")
            self._bilinear_form += ufl.dot(self.convection_velocity_ufl, ufl.grad(trial_C_i)) * test_C_i * dx
            # print(f"信息: 为 {self.problem_name} ({self.species_name}) 添加了对流项。")
        
        # 体积源/汇项 (添加到线性形式部分): ∫_Ω S_i ⋅ test_C_i dΩ
        if self.volumetric_species_source_term_ufl is not None:
            if not hasattr(self.volumetric_species_source_term_ufl, '__mul__'):
                raise TypeError(f"{self.problem_name} ({self.species_name}) 的 volumetric_species_source_term_ufl 与 UFL 不兼容。")
            self._linear_form += self.volumetric_species_source_term_ufl * test_C_i * dx

        # 5. 定义狄利克雷边界条件
        self._bcs = [] # 初始化为空列表
        # 示例: 在气体通道入口处固定浓度/分压
        # inlet_boundary_name = f"{self.species_name}_inlet" # 例如 "O2_inlet"
        # inlet_value_param_name = f"inlet_concentration_{self.species_name}" # 例如 "inlet_concentration_O2"

        # if self.boundary_markers and inlet_boundary_name in self.boundary_markers and \
        #    hasattr(self.params, 'boundary_conditions') and hasattr(self.params.boundary_conditions, inlet_value_param_name):
            
        #     marker_id = self.boundary_markers[inlet_boundary_name]
        #     inlet_value = getattr(self.params.boundary_conditions, inlet_value_param_name)
            
        #     # facet_dim = V_species.mesh.topology.dim - 1
        #     # boundary_facets = dolfinx.mesh.locate_entities_boundary(V_species.mesh, facet_dim, lambda x: x == marker_id) # 同样需要标记函数
        #     # fixed_dofs = fem.locate_dofs_topological(V_species, facet_dim, boundary_facets)
        #     # self._bcs.append(fem.dirichletbc(fem.Constant(V_species.mesh, inlet_value), fixed_dofs, V_species))
        # else:
        #     # print(f"调试: 未能为 {self.problem_name} ({self.species_name}) 设置入口边界条件。检查标记和参数。")
        #     pass

        # 检查必要的实体是否已设置
        if self._bilinear_form is None or self._linear_form is None:
            raise RuntimeError(f"'{self.problem_name}' ({self.species_name}) 的变分形式未正确设置。")
            
        # print(f"信息: 问题 '{self.problem_name}' (GasTransportProblem for '{self.species_name}') 设置完成。")
        # print(f"  双线性形式已组装: {self._bilinear_form is not None}")
        # print(f"  线性形式已组装: {self._linear_form is not None}")
        # print(f"  定义的边界条件数量: {len(self._bcs)}") 